Meccanica respiratoria e lavoro respiratorio: come funziona la respirazione

Cosa succede quando la fisica decide di dedicarsi al corpo umano? Semplicemente assistiamo alla nascita della fisiologia. Attraverso la quale, possiamo capire come i nostri muscoli respiratori ci permettono di respirare e cosa succede quando qualcosa non va. Vediamo come funziona la respirazione. La freschezza di una passeggiata primaverile, respirare a pieni polmoni e godersi la bellezza che la natura ci regala durante questa stagione sono sensazioni che non hanno eguali! Purtroppo, c’è chi ha un sistema polmonare compresso, che non gli consente una piena immersione nell’atmosfera creata dall’arrivo della primavera. Questi soggetti respirano a fatica e per sentirsi meglio tendono a respirare di più, affinché possano introdurre più aria nei polmoni. La fisica e la fisiologia possono aiutarci a capire il perché!

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Il lavoro del sistema toracopolmonare

Il lavoro è una grandezza fisica definita ogni qualvolta una forza agisce su un oggetto che compie uno spostamento. Se si pensa al sistema toracopolmonare, cioè all’insieme polmone e gabbia toracica, i muscoli coinvolti nella respirazione sono capaci di compiere lavoro, in quanto esercitano una forza che agisce sulla superficie della gabbia toracica e del polmone. Questi ultimi, a loro volta, compiono uno spostamento: in altre parole, si espandono o si restringono. Infatti, tale spostamento si traduce in una variazione di volume. Inoltre, è più comodo studiare la forza che i muscoli respiratori esercitano come forza su unità di superficie e, quindi, come pressione. Il paragone regge se si nota che il prodotto tra pressione e volume corrisponde dimensionalmente a un lavoro: il lavoro può essere calcolato sia tenendo conto di forza e spostamento, sia di pressione e volume.   

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Sistema toracopolmonare e capacità funzionale residua

Polmoni e gabbia toracica si comportano in maniera quasi opposta per permetterci una respirazione regolare. Se il polmone tende a restringersi fino al suo punto di equilibrio, ossia un volume che tende a raggiungere ad una determinata pressione, la gabbia toracica tende a estendersi fino al suo punto di equilibrio. Ma per osservare ciò, si dovrebbero isolare i polmoni dalla gabbia toracica, ma risulta complesso, in quanto essi sono avvolti dalla pleura.

Per capire cosa sia la pleura e la sua importante funzione, si può immaginare un palloncino (il polmone) inserito all’interno di un palloncino più grande (la gabbia toracica) e un sottilissimo strato di colla tra essi. Entrambi i palloncini non potranno espandersi o restringersi fino al loro punto di equilibrio perché frenati dalla colla (la pleura). Consegue che il sistema toracopolmonare raggiunge un nuovo punto di equilibrio, ossia un volume (ci si riferisce al volume polmonare) che è chiamato capacità funzionale residua (CFR). Poiché la CFR rappresenta il punto di equilibrio del sistema, qualsiasi variazione che tende ad avvicinare il sistema toracopolmonare alla CFR avviene passivamente, mentre qualsiasi variazione che tende ad allontanare il sistema toracopolmonare dalla CFR non avviene in maniera passiva.

Meccanica respiratorio e respirazione

A questo punto è lecito chiedersi cosa significa che una variazione avvenga in maniera passiva o meno. E, con questa domanda, si comprende come anche i nostri muscoli respiratori siano dei veri e propri lavoratori, che permettono il complesso svolgimento della respirazione. Una variazione avviene in maniera passiva quando non è prevista la contrazione della muscolatura respiratoria, in caso contrario occorre fornire energia al sistema.

Quando la respirazione avviene in condizioni tranquille e nello specifico espiriamo, il polmone si svuota parzialmente e il nostro sistema toracopolmonare raggiunge la CFR, ossia il suo punto di equilibrio. Quando dobbiamo inspirare, facciamo entrare aria nei polmoni e allontaniamo il sistema toracopolmonare dalla CFR. A questo punto, i muscoli inspiratori entrano in gioco e compiono un lavoro elastico: si contraggono per distendere le pareti degli alveoli polmonari e far entrare aria. Mentre l’inspirazione richiede energia, nell’espirazione il sistema toracopolmonare si avvicina alla CFR senza che i muscoli espiratori compiano lavoro: infatti, agisce solo la forza di retrazione del polmone. Tutto questo non basta perché bisogna anche vincere le resistenze che il flusso d’aria incontra man mano che si sposta lungo le vie aeree. Pertanto, I muscoli respiratori compiono anche un lavoro resistivo. Anche in questo caso, l’inspirazione sarà un evento attivo mentre l’espirazione è un evento passivo.

Articolo a cura di Francesco Pio Cipriani.